CN109308574B - 一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法 - Google Patents

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CN109308574B CN201811044453.9A CN201811044453A CN109308574B CN 109308574 B CN109308574 B CN 109308574B CN 201811044453 A CN201811044453 A CN 201811044453A CN 109308574 B CN109308574 B CN 109308574B
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Abstract

本发明公开了一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，包括以下内容：对传统公交进行改进形成半灵活公交服务系统，乘客能够在期望的灵活站点上车，但只能在固定站点下车；乘客利用互联网提供起讫点、出发时间范围以及支付意愿作为预订信息，仅在乘客有足够支付意愿的情况下，最近的公交车将在灵活站点为其提供服务；重点考虑运输效益及乘客支付意愿，并兼顾时间、绕行距离、舒适度和满载率因素，建立效益最优的半灵活公交调度模型；对其进行求解确定调度路线，得到半灵活公交的调度方案。所述方法能够使乘客根据自己的意愿预约并乘坐公交出行，在有效保证运输效益的基础上，更能充分体现半灵活公交的高品质特性，具有实际推广价值。

Description

一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法
技术领域
本发明涉及人工智能领域，尤其是智慧城市交通系统中半灵活公交调度技术领域，具体涉及一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法。
背景技术
传统的城市公交基本是定线、定点、定班、定车型的巴士服务，在市场经济条件下，现有的传统公交在城市的稀疏地区不可能有很密集的网络和很高的发车频率，使得这些地区的出行者乘坐常规公交要走较远的距离以及等待较长的时间，这样的公交服务在如此发达的信息时代是远远不能满足需求的。而随着网约车的推广应用，个人出行一对一的服务已经解决了，但显然不是所有乘客都有条件用网约车服务，有些稀疏地区的网约车也因费用昂贵而不能实现。
随着互联网和移动支付的兴起，基于互联网的交通服务在公共交通领域将有着广阔的发展前景。通过互联网技术，不同用户群体可以订制符合个人需求的出行方式。需求响应式公交可在车辆设施、停靠站点、服务时间、舒适安全、自由私密等方面充分体现运输过程的高品质特性。在移动互联网普及的智慧城市中，出行距离较长而不具备自驾车和自行车出行能力的人，如老、弱、病、残、孕及大部分低收入人群，他们更希望能按自己的意愿乘坐公交出行，预约公交并且表达自己的支付意愿，节省抵离时间和距离(选择就近的上下客地点)、节省车站等待时间(准时乘车)、愿意支付比常规公交车适当高而比一对一服务的网约车低得多的费用。这些出行需求是情理之中、具有普遍性的大众需求，尤其是未来的年轻人越来越依赖网上预约的生活方式，更能体现需求的大众性。
目前各地已开始推广定制公交等需求响应式公交模式，但并未得到良好的预期效果，各地定制公交上座率较低，造成这一现象主要是因为现行定制公交的形式并非为真正意义上的基于乘客需求的精准定线，未能体现出行费用、舒适度等方面的优势，多为以公司定线、乘客选乘为主的“拟定制”模式。而像滴滴打车这一类具有实时响应功能的网约车已经在各个城市普及，把一种实时响应的互联网预约模式引入半灵活公交系统将改变上述局面。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，所述方法结合传统公交和需求响应式公交两种服务模式，并利用互联网预约，在有效保证运输效益的前提下，根据乘客的交通需求及支付意愿对半灵活公交进行实时的合理调度，适应性强，具有较高的应用价值。
本发明的目的可以通过如下技术方案实现：
一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，所述方法包括以下内容：
在获取传统公交数据的基础上，对现有的公交线路进行系统改进：减少固定站点即A类站点的数量，在每两个固定站点之间增加一定数量的灵活站点即B类站点，形成半灵活公交服务系统，乘客能够在期望的B类站点上车，但只能在A类站点下车；
所述改进后的半灵活公交服务系统为实时响应系统，乘客利用互联网提供起讫点、出发时间范围以及支付意愿作为预订信息，仅在乘客有足够支付意愿的情况下，最近的公交车将在B类站点为其提供服务，如果预定成功，乘客应保证其电子账户中有足够多的资金完成自动扣费，未预定成功的乘客则步行至最近的A类站点等待车辆到达；
重点考虑运输效益及乘客支付意愿，并兼顾时间、绕行距离、舒适度和满载率因素，建立从一个A类站点到下一个A类站点效益最优的半灵活公交调度模型；
对上述半灵活公交调度模型进行求解，确定调度路线，得到半灵活公交的调度方案。
进一步地，所述传统公交数据包括原有公交线路各线路的站点名称，站点位置，站点用地性质，站间距，线路配备车辆信息：车型、座位数、最大载客数、速度，线路发班频率，单程平均运行时间，线路及站点客流数据，服务水平，票款收益，运营成本，建设成本以及固定成本。
进一步地，对于起点在灵活站点即B类站点，讫点在固定站点即A类站点的乘客，由于B类站点不是必经点，需根据系统经济效益进行取舍，只有有预约需求，且该需求的支付意愿足够强烈，半灵活公交才会绕行到该需求响应点；所述乘客支付意愿计算公式如下：
Figure BDA0001792927630000021
Figure BDA0001792927630000022
式中，
Figure BDA0001792927630000023
表示站点Bi的总支付意愿；u为Bi站点的第u个乘客；
Figure BDA0001792927630000024
为Bi站点的第u个乘客的支付意愿；
Figure BDA0001792927630000025
为Bi站点在预定时间区段
Figure BDA0001792927630000026
至
Figure BDA0001792927630000027
内的有效时间；
Figure BDA0001792927630000028
为Bi站点的第u个乘客的出行基价；
对参与该实时响应半灵活公交服务系统的乘客数加以统计，将所有从An到An+1将会服务的B类站点纳入集合K，即：
Figure BDA0001792927630000031
式中，
Figure BDA0001792927630000032
或1，取决于Bi站点能否提供服务；
计算各个B类站点的候车乘客数，用下式表示：
Figure BDA0001792927630000033
Figure BDA0001792927630000034
式中，g为An到An+1中将会提供服务的第g个B类站点；
Figure BDA0001792927630000035
为从An到An+1将会服务的第g个B类站点的乘客数；v为计数单位；
Figure BDA0001792927630000036
表示在站点Bi的等车的乘客的有效指数，当订单时间发生在有效时间区段
Figure BDA0001792927630000037
至
Figure BDA0001792927630000038
内时，该指数取1，否则取0；
Figure BDA0001792927630000039
表示在站点Bi的等车的累计乘客数；
计算车辆在抵达站点
Figure BDA00017929276300000310
后，车内的乘客数，用下式表示：
Figure BDA00017929276300000311
Figure BDA00017929276300000312
式中，
Figure BDA00017929276300000313
表示从初始站点A1出发前车上乘客数为0；
Figure BDA00017929276300000314
为站点An乘客数；
Figure BDA00017929276300000315
为在An+1站点下车的乘客数。
进一步地，在建立效益最优的半灵活公交调度模型的过程中，首先确定An与An+1站点间因前往各个B类站点所产生的总绕行距离，用下式表示：
Figure BDA00017929276300000316
式中，
Figure BDA00017929276300000317
表示从站点An出发至到达站点An+1时该班公交车总的绕行距离；
Figure BDA00017929276300000318
表示站点An到将提供服务的第一个B类站点BK1的行驶距离；
Figure BDA0001792927630000041
表示将会提供服务的各个B类站点之间的行驶距离；
Figure BDA0001792927630000042
表示区段内最后一个提供服务的B类站点到An+1站点的行驶距离；
然后确定公交车从站点An行驶到站点An+1的过程中，到达各个站点的具体时间，用下式表示：
Figure BDA0001792927630000043
Figure BDA0001792927630000044
Figure BDA0001792927630000045
式中，
Figure BDA0001792927630000046
表示公交车从站点An出发的时间，记作t0；
Figure BDA0001792927630000047
表示公交车到达提供服务的第i个B级站点的时间；
Figure BDA0001792927630000048
为站点An到达第一个B级站点行驶的距离；
Figure BDA0001792927630000049
表示每两个相邻B级站点间公交车的行驶距离；
Figure BDA00017929276300000410
表示公交车行行驶的平均速度；
Figure BDA00017929276300000411
表示公交车到达An+1站点的时间；
Figure BDA00017929276300000412
为从站点An出发至到达站点An+1，该班公交车总的绕行距离；
最后根据半灵活公交发车规则，对半灵活公交调度模型的建立提出如下假设：
①完全信息条件下，乘客均采用手机发单，并能够收到消息回馈；
②乘客出行OD和预约出发时间已知；
③车辆的平均行程速度已知；
④乘客提供个人单次出行的支付意愿；
⑤乘客预约时认可出行规则，提前存入足量费用，并接受自动扣费；
重点考虑运输效益，根据乘客票价收益及时间成本、运输车辆的行车成本，建立半灵活公交调度模型的目标函数：
Figure BDA00017929276300000413
式中，P0为出行基价；
Figure BDA0001792927630000051
表示从站点An出发的乘客总数；
Figure BDA0001792927630000052
表示ti时间站点Bi的总支付意愿；C1为基础运营成本；C2为乘客在巴士上的时间成本；
表达式第一部分为起点在A类站点的乘客的票价总收益，第二部分为起点在B类站点的乘客的票价总收益，第三部分为运输车辆的行车成本与乘客的各类成本之和，当Z达到最大时，系统效益最优；
根据既定目标函数以及实际调度情况，确定半灵活公交调度模型的约束条件：
①B类站点乘客的附加支付意愿应不小于该点最小附加调度费，即：
Figure BDA0001792927630000053
其中
Figure BDA0001792927630000054
这里规定Bi站点乘客的附加支付意愿
Figure BDA0001792927630000055
用平均值表示；
②运输车辆的载客率要在一定的范围内，即：
Figure BDA0001792927630000056
式中，QL为车辆最大载客数，
Figure BDA0001792927630000057
从环保和成本的角度出发，载客人数太少，运输成本难以有效控制，也不符合绿色出行；
Figure BDA0001792927630000058
从乘客的舒适度出发，载客人数太多，会影响乘客的乘车体验；
③限制运输车辆在B类站点的停站数，即：
Figure BDA0001792927630000059
式中，Nmax为B级站点的最大停站数；
④控制运输车辆的绕路比，即：
Figure BDA00017929276300000510
式中，θmax为运输车辆的最大绕路比；
约束条件③和④从停站数和绕路比两方面保证了主线上乘客的乘坐体验，并间接控制了全程时间。
进一步地，所述求解半灵活公交调度模型的方法为遍历方法和禁忌搜索法，求解思路如下：
①、令
Figure BDA0001792927630000061
其中
Figure BDA0001792927630000062
表示车辆是否到达Bi点，
Figure BDA0001792927630000063
表示达到Bi点，
Figure BDA0001792927630000064
表示不到达Bi点；
②、根据相应算法的规则确定初始解；
③、在算法的关键参数的控制下通过邻域函数产生若干邻域解；
④、按接受准则：确定性、概率性或混沌方式，更新当前状态；
⑤、按关键参数修改准则调整关键参数；
⑥、根据算法的收敛准则判断是否满足迭代停止条件，若满足，则得到问题的最终优化结果，否则回到步骤③。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
本发明从乘客支付意愿及交通需求的角度出发，结合传统公交和需求响应式公交两种服务模式，并考虑企业的运输效益，得到一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，首次结合乘客的支付意愿与半灵活公交调度进行研究，并具备实时响应功能，能够根据各地的情况灵活运用模型，适应性强，具有较强的推广价值。
附图说明
图1为本发明实施例一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法的流程图。
图2为本发明实施例中半灵活公交的服务流程图。
图3为本发明实施例中半灵活公交调度系统乘客订单生成流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例：
本实施例提供了一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下内容：
选定拟提供半灵活公交服务模式的范围，半灵活公交的服务流程如图2所示，在获取传统公交数据的基础上，对现有的公交线路进行系统改进：减少固定站点即A类站点的数量，在每两个固定站点之间增加一定数量的灵活站点即B类站点，形成半灵活公交服务系统；其中所述传统公交数据包括原有公交线路各线路的站点名称，站点位置，站点用地性质，站间距，线路配备车辆信息：车型、座位数、最大载客数、速度，线路发班频率，单程平均运行时间，线路及站点客流数据，服务水平，票款收益，运营成本，建设成本以及固定成本等。范围的选定及数据的获取如下：
某一区域原有一条半灵活公交线路，从发车站场到收车站场线路全长17.4km。在非高峰时段选择24个A类站点，以及138个B类站点，A类站点是半灵活公交的必经点，B类站点为灵活站点，乘客可以通过预定在B类站点上车，但是只能在A类站点下车。通过电子地图获得162个站点的真实公交路线距离，并以30公里/小时的平均公交车速度估算任意两点之间的行程时间。对于是否经过B类站点，可根据区段经济效益进行取舍，乘客的OD需求矩阵以及相应的支付意愿产生规则如图3所示，生成的乘客OD需求矩阵与支付意愿信息如表1所示，相关的输入参数如表2所示。
Figure BDA0001792927630000071
表1
Figure BDA0001792927630000072
表2
所述改进后的半灵活公交服务系统为实时响应系统，乘客利用互联网提供起讫点、出发时间范围以及支付意愿作为预订信息，仅在乘客有足够支付意愿的情况下，最近的公交车将在B类站点为其提供服务，如果预定成功，乘客应保证其电子账户中有足够多的资金完成自动扣费，未预定成功的乘客则步行至最近的A类站点等待车辆到达；
重点考虑运输效益及乘客支付意愿，并兼顾时间、绕行距离、舒适度和满载率因素，建立从一个A类站点到下一个A类站点效益最优的半灵活公交调度模型；
对上述半灵活公交调度模型进行求解，在求解的过程中，由于实际应用中需求点较多，调度模型主要使用启发式算法。本实施例中由于规模不大，直接采用遍历法进行求解，将上述基础数据进行输入，运行结果见表3。
Figure BDA0001792927630000081
表3
根据模型求解结果，确定调度线路，得到半灵活公交的调度方案。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (2)

1.一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，其特征在于，所述方法包括以下内容：
在获取传统公交数据的基础上，对现有的公交线路进行系统改进：减少固定站点即A类站点的数量，在每两个固定站点之间增加一定数量的灵活站点即B类站点，形成半灵活公交服务系统，乘客能够在期望的B类站点上车，但只能在A类站点下车；
所述传统公交数据包括原有公交线路各线路的站点名称，站点位置，站点用地性质，站间距，线路配备车辆信息：车型、座位数、最大载客数、速度，线路发班频率，单程平均运行时间，线路及站点客流数据，服务水平，票款收益，运营成本，建设成本以及固定成本；
改进后的半灵活公交服务系统为实时响应系统，乘客利用互联网提供起讫点、出发时间范围以及支付意愿作为预订信息，仅在乘客有足够支付意愿的情况下，最近的公交车将在B类站点为其提供服务，如果预定成功，乘客应保证其电子账户中有足够多的资金完成自动扣费，未预定成功的乘客则步行至最近的A类站点等待车辆到达；
对于起点在灵活站点即B类站点，讫点在固定站点即A类站点的乘客，由于B类站点不是必经点，需根据系统经济效益进行取舍，只有有预约需求，且该需求的支付意愿足够强烈，半灵活公交才会绕行到需求响应点；所述乘客支付意愿计算公式如下：
Figure FDA0003409762580000011
Figure FDA0003409762580000012
式中，
Figure FDA0003409762580000013
表示站点Bi的总支付意愿；u为Bi站点的第u个乘客；
Figure FDA0003409762580000014
为Bi站点的第u个乘客的支付意愿；
Figure FDA0003409762580000015
为Bi站点在预定时间区段
Figure FDA0003409762580000016
至
Figure FDA0003409762580000017
内的有效时间；
Figure FDA0003409762580000018
为Bi站点的第u个乘客的出行基价；
对参与实时响应半灵活公交服务系统的乘客数加以统计，将所有从An到An+1将会服务的B类站点纳入集合K，即：
Figure FDA0003409762580000019
式中，
Figure FDA0003409762580000021
或1，取决于Bi站点能否提供服务；
计算各个B类站点的候车乘客数，用下式表示：
Figure FDA0003409762580000022
Figure FDA0003409762580000023
式中，g为An到An+1中将会提供服务的第g个B类站点；
Figure FDA0003409762580000024
为从An到An+1将会服务的第g个B类站点的乘客数；v为计数单位；
Figure FDA0003409762580000025
表示在站点Bi的等车的乘客的有效指数，当订单时间发生在有效时间区段
Figure FDA0003409762580000026
至
Figure FDA0003409762580000027
内时，该指数取1，否则取0；
Figure FDA0003409762580000028
表示在站点Bi的等车的累计乘客数；
计算车辆在抵达站点An后，车内的乘客数，用下式表示：
Figure FDA0003409762580000029
Figure FDA00034097625800000210
式中，
Figure FDA00034097625800000211
表示从初始站点A1出发前车上乘客数为0；
Figure FDA00034097625800000212
为站点An乘客数；
Figure FDA00034097625800000213
为在An+1站点下车的乘客数；
重点考虑运输效益及乘客支付意愿，并兼顾时间、绕行距离、舒适度和满载率因素，建立从一个A类站点到下一个A类站点效益最优的半灵活公交调度模型；
在建立效益最优的半灵活公交调度模型的过程中，首先确定An与An+1站点间因前往各个B类站点所产生的总绕行距离，用下式表示：
Figure FDA00034097625800000214
式中，
Figure FDA00034097625800000215
表示从站点An出发至到达站点An+1时公交车总的绕行距离；
Figure FDA00034097625800000216
表示站点An到将提供服务的第一个B类站点BK1的行驶距离；
Figure FDA00034097625800000217
表示将会提供服务的各个B类站点之间的行驶距离；
Figure FDA00034097625800000218
表示区段内最后一个提供服务的B类站点到An+1站点的行驶距离；
然后确定公交车从站点An行驶到站点An+1的过程中，到达各个站点的具体时间，用下式表示：
Figure FDA0003409762580000031
Figure FDA0003409762580000032
Figure FDA0003409762580000033
式中，
Figure FDA0003409762580000034
表示公交车从站点An出发的时间，记作t0；
Figure FDA0003409762580000035
表示公交车到达提供服务的第i个B类站点的时间；
Figure FDA0003409762580000036
表示公交车行驶的平均速度；
Figure FDA0003409762580000037
表示公交车到达An+1站点的时间；
最后根据半灵活公交发车规则，对半灵活公交调度模型的建立提出如下假设：
①完全信息条件下，乘客均采用手机发单，并能够收到消息回馈；
②乘客出行OD和预约出发时间已知；
③车辆的平均行程速度已知；
④乘客提供个人单次出行的支付意愿；
⑤乘客预约时认可出行规则，提前存入足量费用，并接受自动扣费；
重点考虑运输效益，根据乘客票价收益及时间成本、运输车辆的行车成本，建立半灵活公交调度模型的目标函数：
Figure FDA0003409762580000038
式中，P0为出行基价；
Figure FDA0003409762580000039
表示从站点An出发的乘客总数；
Figure FDA00034097625800000310
表示ti时间站点Bi的总支付意愿；C1为基础运营成本；C2为乘客在巴士上的时间成本；
表达式第一部分为起点在A类站点的乘客的票价总收益，第二部分为起点在B类站点的乘客的票价总收益，第三部分为运输车辆的行车成本与乘客的各类成本之和，当Z达到最大时，系统效益最优；
根据既定目标函数以及实际调度情况，确定半灵活公交调度模型的约束条件：
①B类站点乘客的附加支付意愿应不小于该点最小附加调度费，即：
Figure FDA0003409762580000041
其中
Figure FDA0003409762580000042
这里规定Bi站点乘客的附加支付意愿
Figure FDA0003409762580000043
用平均值表示；
②运输车辆的载客率要在一定的范围内，即：
Figure FDA0003409762580000044
式中，QL为车辆最大载客数，
Figure FDA0003409762580000045
从环保和成本的角度出发，载客人数太少，运输成本难以有效控制，也不符合绿色出行；
Figure FDA0003409762580000046
从乘客的舒适度出发，载客人数太多，会影响乘客的乘车体验；
③限制运输车辆在B类站点的停站数，即：
Figure FDA0003409762580000047
式中，Nmax为B类站点的最大停站数；
④控制运输车辆的绕路比，即：
Figure FDA0003409762580000048
式中，θmax为运输车辆的最大绕路比；
约束条件③和④从停站数和绕路比两方面保证了主线上乘客的乘坐体验，并间接控制了全程时间；
对上述半灵活公交调度模型进行求解，确定调度路线，得到半灵活公交的调度方案。
2.根据权利要求1所述的一种实时响应的互联网半灵活公交调度方法，其特征在于，求解半灵活公交调度模型的方法为遍历方法和禁忌搜索法，求解思路如下：
①、令
Figure FDA0003409762580000049
其中
Figure FDA00034097625800000410
表示车辆是否到达Bi点，
Figure FDA00034097625800000411
表示达到Bi点，
Figure FDA0003409762580000051
表示不到达Bi点；
②、根据相应算法的规则确定初始解；
③、在算法的关键参数的控制下通过邻域函数产生若干邻域解；
④、按接受准则：确定性、概率性或混沌方式，更新当前状态；
⑤、按关键参数修改准则调整关键参数；
⑥、根据算法的收敛准则判断是否满足迭代停止条件，若满足，则得到问题的最终优化结果，否则回到步骤③。
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